近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院精密機械與精密儀器系先進(jìn)感知、數據融合及智能運維課題組毛磊特任研究員團隊在氫燃料電池無(wú)損檢測方面取得突破性進(jìn)展，報道了一種基于磁場(chǎng)成像的氫燃料電池無(wú)損檢測理論及方法，突破現有氫燃料電池性能表征依賴(lài)于材料分析、電流分布等侵入式檢測手段的瓶頸，研究成果以“Imaging PEMFC performance heterogeneity by sensing external magnetic field”為題發(fā)表在《Cell Press》期刊《Cell Reports Physical Science》上。

氫燃料電池技術(shù)(PEMFC)被廣泛應用于氫能利用領(lǐng)域，然而影響商用氫燃料電池系統可靠性的主要因素是在電池運行過(guò)程中難以進(jìn)行電池性能表征并識別電池異常狀態(tài)。目前，主要的狀態(tài)識別方法僅可對PEMFC狀態(tài)變化進(jìn)行識別，但難以對電池內部狀態(tài)變化的發(fā)展路徑及對應機理進(jìn)行檢測及分析，從而無(wú)法根據識別結果對PEMFC系統進(jìn)行對應調控，進(jìn)而保障PEMFC系統的運行安全。

在PEMFC運行過(guò)程中，電池性能狀態(tài)與其內部水分布、電流分布息息相關(guān)。目前，相關(guān)技術(shù)主要通過(guò)材料分析、水傳輸分布、電流分布等手段來(lái)評估氫燃料電池性能狀態(tài)。然而這些技術(shù)會(huì )干擾電池的運行狀態(tài)，甚至破壞電池固有結構和性能，進(jìn)而很難保證技術(shù)可靠性和實(shí)用性。

毛磊特任研究員團隊將PEMFC內部電流分解為平行膜方向膜電流和垂直膜方向主電流，并揭示了氫燃料電池故障時(shí)性能下降的本質(zhì)原因是參與化學(xué)反應的主電流減少，寄生損耗的膜電流增加，因此膜電流及其激發(fā)磁場(chǎng)可以反映電池性能變化。這是在該研究領(lǐng)域內首次系統性分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內部不同分量電流和激發(fā)磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)機制。

圖1.PEMFC內部電流和磁場(chǎng)分布。(a) PEMFC內部電流; (b)膜電流及其磁場(chǎng)分布; (c)主電流及其磁場(chǎng)分布.

PEMFC電流分布和相應磁場(chǎng)分布如圖1所示，作者團隊將PEMFC內部電流分解為平行膜方向膜電流(圖1B)和垂直膜方向主電流(圖1C)，并揭示了氫燃料電池故障時(shí)性能下降的本質(zhì)原因是參與化學(xué)反應的主電流減少，寄生損耗的膜電流增加，因此膜電流及其激發(fā)磁場(chǎng)可以反映電池性能變化。這是在該研究領(lǐng)域內首次系統性分析并提出了氫燃料電池的性能變化與其內部不同分量電流和激發(fā)磁場(chǎng)的關(guān)聯(lián)機制。

圖2 技術(shù)路線(xiàn)圖

該研究的研究思路如圖2所示，首先通過(guò)建立多物理場(chǎng)PEMFC仿真建模，對PEMFC在不同運行狀態(tài)下的膜電流及其磁場(chǎng)分布變化進(jìn)行分析;進(jìn)而搭建PEMFC外部磁場(chǎng)檢測系統，通過(guò)檢測PEMFC運行過(guò)程中的膜電流磁場(chǎng)分布，分析PEMFC系統內部狀態(tài)變化路徑及對應機制。據此，本研究工作中提出了一種基于磁場(chǎng)成像的PEMFC系統無(wú)損檢測理論及方法，可在PEMFC運行過(guò)程中揭示狀態(tài)變化的起源和演變過(guò)程，在商用PEMFC系統的狀態(tài)檢測及異常識別方面極具應用潛力。

總之，這項研究工作中提出了一種基于磁場(chǎng)成像的PEMFC系統無(wú)損檢測理論及方法，可在PEMFC運行過(guò)程中揭示狀態(tài)變化的起源和演變過(guò)程，在商用PEMFC系統的狀態(tài)檢測及異常識別方面極具應用潛力。